﻿ 北极低温下潜艇舵杆机械性能分析与改进
 舰船科学技术  2023, Vol. 45 Issue (11): 176-180    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7619.2023.11.037 PDF

Mechanical properties analysis and improvement of submarine rudder stock under arctic low temperature
CHEN Si-yu, GUO Wen-yong, YU Li, PANG Kai-yuan
College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430000, China
Abstract: The harsh conditions such as low temperature in Arctic environment put forward higher requirements for the mechanical performance of submarine rudder stock mechanism. The three-dimensional model of submarine rudder stock mechanism is established, and the static characteristics of the guide pull rod component at –10 ~ –60℃ are analyzed by finite element method. The results show that the maximum stress appears at the connection between the pull rod head and the pull rod, and the rudder stock has the risk of breaking. Based on this, an improvement scheme is proposed. After replacing the material with poor low-temperature mechanical properties with polar marine steel EH36, the average maximum stress value decreases by 11.49% at –30 ~ –60℃, which effectively improves the mechanical properties of the rudder stock at low temperature, which can provide a reference for the improvement of ship design in Arctic environment.
Key words: rudder stock mechanism     arctic low temperature     steel structure     mechanical properties     finite element
0 引　言

1 潜艇舵杆机构原理

1.1 潜艇方向舵

 图 1 潜艇舵杆机构 Fig. 1 Submarine rudder stock mechanism
1.2 潜艇尾升降舵

2 低温对钢结构的性能影响

2.1 低温对钢结构机械性能的影响

Farraro[4]在研究钢材弹性模量的温度依赖性问题时发现，大多数材料的弹性模量在某个温度范围内呈线性变化，并提出了线性表达式，用来描述材料在温度影响下的弹性模量变化。

 $E\left( T \right) = {E_{{\text{RT}}}} + {b_{{\text{TE}}}}\left( {T - {T_{{\text{RT}}}}} \right) 。$ (1)

 $\mu = {\mu _0}(1 + \lambda T)。$ (2)

2.2 钢材低温脆性断裂问题

 ${\sigma _{\max }} \leqslant \beta f。$ (4)

3 北极环境下潜艇舵杆传动机构仿真参数设置与结果分析

3.1 三维模型建立

 图 2 导向拉杆 Fig. 2 Guiding pull rod
3.2 仿真参数设置

 图 3 力学性能随温度变化曲线 Fig. 3 Variation curve of mechanical properties with temperature

 图 4 网格划分效果 Fig. 4 Meshing Effect

 图 5 边界条件设置 Fig. 5 Boundary condition setting

 图 6 应力云图 Fig. 6 Stress nephogram
3.3 计算结果与分析

 图 7 最大应力值随温度变化曲线 Fig. 7 Variation curve of maximum stress value with temperature

1）拉杆头所受平均应力最小；拉杆应力分布两端大，中段平均；接头的应力呈阶梯式分布。

2）最大应力发生在拉杆头与拉杆的连接部位（见图9（a））。

 图 9 改进后应力云图 Fig. 9 Improved stress nephogram

3）拉杆所用材料为20，在–60°C下 ${f}_{u}$ 为423 MPa。按照公式（4）的设计方法，取 $\beta$ 值为0.61，得拉杆的许用应力值 $\left[\mathrm{\sigma }\right]=$ 195.23 MPa。由图9（b）可知，在–60°C时拉杆最大应力 ${\sigma }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}$ =214.23 MPa， ${\sigma }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} > \left[\sigma \right]$ ，存在“拉断舵杆”的风险。

4）随着温度降低，导向拉杆所受最大应力值呈非线性上升趋势。

 图 8 导向拉杆局部应力云图（–60℃） Fig. 8 Local stress nephogram（–60℃）
4 改进方案

 图 10 最大应力值对比曲线 Fig. 10 Comparison curve of maximum stress value

5 结　语

1）在北极低温条件下，导向拉杆可能存在脆性破坏的位置在拉杆头与拉杆的连接部位，经过基于钢结构冷脆性的设计计算，有“舵杆拉断”的风险。

2）将低温力学性能较差的低碳钢 20替换为极地船用钢EH36后，在–60°C～–30°C时最大应力值平均下降了11.49%，有效提高了其在低温下的机械性能。

 [1] 左鹏飞. 极地战略问题研究[M]. 北京: 时事出版社, 2018: 12. [2] 黄加强. 北极航行对潜艇航行性能影响研究[J]. 舰船电子工程, 2020, 40(9): 5. [3] 王元清, 廖小伟, 贾单锋, 等. 钢结构的低温疲劳性能研究进展综述[J]. 建筑钢结构进展, 2018, 20(1): 11. DOI:10.13969/j.cnki.cn31-1893.2018.01.001 [4] FARRARO R, MCLELLAN R B. Temperature Dependence of the Young's Modulus and Shear Modulus of Pure Nickel, Platinum, and Molybdenum[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 1977, 8(10): 1563-1565. DOI:10.1007/BF02644859 [5] 林杰俊, 刘军, 李涛, 等. 温度对合金钢40CrNiMoA静力学常数的影响[J]. 热加工工艺, 2021, 50(22): 4. DOI:10.14158/j.cnki.1001-3814.20211136 [6] 王元清, 武严民. 钢结构构件低温冷脆强度的设计计算方法[J]. 低温建筑技术, 2001(1): 3. DOI:10.3969/j.issn.1001-6864.2001.01.001 [7] 王元清, 冯宝锐, 石永久, 等. 考虑低温冷脆钢结构构件的实用简化设计方法[J]. 钢结构, 2008, 23(12): 5. [8] 陈国琳, 谭林森, 刘义成, 等. 基于有限元方法的潜艇舵装置结构强度分析[J]. 舰船科学技术, 2005(z1): 3. [9] 秦闯. 极地破冰船用钢低温疲劳性能研究[D]. 镇江: 江苏科技大学, 2019.